第08章 排气污染与控制(何小明)

第八章排气污染与控制第一节概述本章介绍主要有害排放物的生成，突出影响柴油机、汽油机有关排放物的主要影响因素。排气净化的机外处理方法排气法规与相关试验方法清洁空气不受人类活动以及其他不良影响的具有相对稳定组成的空气以体积百分比计:氮N278.09%氧O220.94%氩Ar0.93%二氧化碳CO20.032%共计99.99%大气污染空气中含有的物质浓度达到足以危害人体健康、舒适、安全、或影响对於各种资源的使用（享用）。广义的空气污染物系指任何对人体健康、农作物、建筑物、古迹有危害的物质。浓度表示1)体积浓度:气体污染物占体积的百万分之一(ppm)2)质量浓度:单位体积内污染物的质量,μg/m33)换算关系:(25℃,1atm下)颗粒清洁空气与污染空气空气污染物分类(按形成过程）1）原始污染物（一次污染物）（primarypollutants）直接排放到大气中：气体：CO，NOx，SO2，碳氢化合物(hydrocarbons)微粒：金属熏烟、香烟微粒空气污染物分类(按形成过程）2）次生污染物（二次污染物）（secondarypollutants）由原始污染物经某些化学反应而生成：光化学烟雾(photochemicalsmog)NOx及hydrocarbons在阳光中发生光化学反应产生的化合物（如近地层臭氧、醛类等）其他化学反应硝酸烟雾、硫酸烟雾等空气污染物分类(按存在状态）1）颗粒状污染物（ParticulateMatter）除了纯水以外的在正常状态下以液态或固态存在于大气中的物质：尘：固态颗粒，1－200μm烟：蒸气凝结成的小颗粒，0.01-1μm轻雾和雾：水蒸气凝结成的液滴或雾化引起烟雾：固液气溶胶-硝酸烟雾、硫酸烟雾空气污染物分类(按存在状态）2）气态污染物在正常状态下以气态存在于大气中的物质：含硫化合物：SOx,H2S含氮化合物：NOx,NH3含碳化合物：CO,CO2,CnHm卤素化合物：HF,HCl空气污染的影响1）严重影响人类和动物的健康，危害植物的生长2）弄脏并毁坏原材料3）改变气候，降低能见度和减少太阳辐射4）损害生产过程，造成安全事故以及常常有害于生命财产危害人类和动物的健康CO一氧化碳：无色，无臭，剧毒不完全燃烧产生易与红血球结合，造成主要器官及组织缺氧，影响知觉、思考、反射动作、晕眩、昏睡，严重者因心脏衰竭或窒息而死亡。危害人类和动物的健康SO2二氧化硫：无色，有臭味化石燃料燃烧产生对眼睛和呼吸道黏膜产生刺激，呼吸短促、气喘、支气管炎。危害人类和动物的健康NOx氮氧化物（主要为NONO2）NO无色，无臭味NO2红褐色，有臭味引擎燃烧、细菌分解产生对眼睛和肺产生刺激，气管炎、肺炎、减低抵抗力使呼吸道易受感染，致癌危害人类和动物的健康O3近地层臭氧（O3）无色，有刺鼻味光化学产生吸入肺部会使气喘恶化，肺功能降低，呼吸道发炎，呼吸急促，减低肺部对传染性疾病及毒素的抵抗力。臭氧亦会妨碍植物的光合作用。危害人类和动物的健康PM颗粒物（PM）急性健康效应：气喘的加剧、肺功能的降低、胸痛、咳嗽、呼吸困难、以及其他呼吸道病症。慢性呼吸效应：肺功能的降低、肺部组织细胞及结构的变化、呼吸道防卫机能的减退、慢性支气管炎、肺气肿、气喘、慢性阻塞性呼吸道疾病、以及肺癌。危害人类和动物的健康HC碳氢化合物（HC）碳氢化合物包括烷烃、烯烃和芳香烃，其中影响最大的是芳香烃和多环芳烃．苯是芳香烃中最基本的化合物，也是大气中分布相当广泛的污染物·在煤、石油和天然气燃烧排出的废气中均含有苯及其同系物（如甲苯、二甲苯、乙基苯等）．苯的毒性要比其同系物大．它们对人体的心血管系统和神经系统都有明显的影响．影响大气性质1）降低能见度(Visibility)反映大气透明度的一个指标。一般定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大地面水平距离。还有一种定义为目标的最后一些特征已经消失的最小距离。光线的吸收和散射影响大气性质2）增加雾的生成3）减弱太阳辐射4）影响温度分布5）改变气候厄尔尼诺现象拉尼娜现象对原材料的影响空气污染可因弄脏或化学变质而影响原材料，浓烟和颗粒物会弄脏衣服和建筑物酸性或碱性颗粒会腐蚀原材料（如油漆、石质建筑物、纺织品等）臭氧极易损坏橡胶制品．第二节有害排放物的生成一、氮氧化物（NOX）NO产生的主导反应过程是O+N2NO+NN+O2NO+O促使上述反应正向进行而生成NO的因素有三个：温度--高温时，NO的平衡浓度高，生成速率也大。氧的浓度--在高温条件下，氧的浓度是生成NO的重要因素，在氧浓度低时，即使温度高，NO的生成也受到限制。反应滞留时间--由于NO的生成反应比燃烧反应慢，所以即使在高温下，如果反应停留的时间短，则NO的生成量也受到限制。实际发动机燃烧反应时间极短，温升、温降很快，NO的生成远未达到平衡浓度，但NO的分解反应所需的时间也不足，这种反应“冻结”使缸内NO的实际浓度大大高于排气温度相对应的平衡浓度（温度降低本来应使NO分解反应速度大大超过正向反应速度）。在柴油机中冻结，比在汽油机中更快。二、一氧化碳（CO）CO是碳氢燃料在燃烧过程中重要的中间产物燃料分子（RH，R代表碳氢根）经高温氧化生成CO的主要过程如下：RHRRO2RCHORCOCOCO在火焰中及火焰后以缓慢的速率氧化成CO2。CO的生成速率主要受混合气浓度的影响。对于浓混合气，燃油中的碳因缺氧而不能完全氧化成CO2；对于稀混合气，由于燃烧产物CO2及H2O的高温离解反应生成部分CO。三、未燃碳氢化合物（HC）HC的生成与排出有三个渠道，其中HC总量的60%以上由废气排出，25%由曲轴箱窜气，15%~20%左右从油箱、化油器等处漏泄。活塞顶端气环与气缸壁之间形成的夹缝内的可燃混合气因火焰不能及时到达，而不能完全燃烧。相对冷态的气缸壁对火焰产生的热与活化基物质起着吸收的作用，促使火焰传播中断，即火焰在气缸壁表面产生激冷与淬熄现象。烧机油。发动机瞬变工况时，点火定时、空燃比以及排气再循环值均不处于最佳状态，燃烧恶化，HC排放量增加，尤其是减速及怠速工况。四、微粒柴油机中的微粒排放主要是碳烟粒子。燃料分子在高温中裂解或氧化裂解，所生成的裂解产物主要是乙炔，接着形成碳烟核心，成核后同时经历表面增长和凝聚两个过程。碳烟粒子增长到某一尺寸时，增长速率急剧下降，接着以集聚形式形成链状结构物，即生成碳烟。形成碳烟的过程总伴随着碳烟的氧化。第三节影响汽油机有害排放物生成主要因素与发动机运转有关的主要因素如下：一、混合气成分CO浓度随空燃比A/F增加逐渐下降NOX浓度两头低，中间高（偏稀一侧）HC浓度是两头高，中间低，与燃油消耗率曲线变化趋势一致。当浓混合气逐渐变稀时，在活塞顶缝隙容积与激冷层中的混合气燃料比例减少，因此HC量减少。但混合气过稀，又因为失火，致使HC及油耗又重新回升。组织稀薄混合气燃烧，可使HC排放在较大空燃比A/F下继续缓慢下降。二、点火正时推迟点火提前角，对降低NOX及HC均有利，但以牺牲动力性为代价。推迟点火提前角，不仅降低燃烧最高温度，而且缩短反应滞留时间；膨胀时的温度及排气温度均上升，对降低HC排放有利。三、吸入废气量的影响为了抑制燃烧的最高温度，将一部分排气回送至燃烧室，将有利于抑制NO的生成，但燃烧的有效性降低，动力性变差。怠速及减速工况，HC排放急增。怠速工况废气稀释现象严重，混合气比较浓，燃烧恶化，HC排放浓度增加。减速工况，很高的进气管真空度使进气管内沉积的燃料油膜大量增发，HC排放浓度急增。三、柴油机的有害排放物1、柴油机的有害排放物主要包括微粒、NOX、CO以及HC等。与汽油机相比，柴油机由于总体富氧（大），CO以及HC相对比较少。由于柴油机混合气形成极不均匀，局部严重缺氧而导致高温裂解，产生汽油机所没有的微粒排放，是目前世界上对柴油机排气污染重点解决的问题，现在倾向用机外颗粒捕捉器，如静电捕捉器，成本昂贵。（1）微粒柴油机废气中的微粒主要由固体碳微粒（碳烟粒子）和吸附并凝聚其上的液态碳氢化合物组成（有的书上称微粒是一种聚合物）。碳烟粒子主要是在高温、极度缺氧的条件下生成的，经历了微粒成核、表面增长、凝聚、吸附等阶段，在随后的燃烧过程中还会有部分被氧化。非增压柴油机过量空气系数=1.2~1.4范围内，微粒排放量随着增加而急剧下降（说明增压柴油机=1.7~2.2的微粒排放水平低）。（2）氮氧化合物（NOX）氮氧化合物（NOX）在高温、富氧、相对有充裕反应时间的条件下容易生成。过量空气系数过大或过小均使氮氧化合物（NOX）排放量减少，但在柴油机常用的范围内，氮氧化合物（NOX）排放量很高。分隔式柴油机由于大部分燃料在活塞下行后的主燃烧室内燃烧，燃气温度较低，副室内混合气又很浓，均不利于氮氧化合物（NOX）生成，故分隔式柴油机的氮氧化合物（NOX）仅为直喷式柴油机的1/2。（3）一氧化碳（CO）CO是不完全燃烧产物，由于柴油机的过量空气系数大，局部缺氧产生的CO有可能在膨胀过程中氧化成CO2，因此柴油机的CO排放量较汽油机低，仅在全负荷时（小），CO排放量才有所上升。（4）碳氢化合物（HC）柴油机废气中的HC主要是在混合气过稀时产生的，在低负荷时，过量空气系数过大，由于温度过低，反应不能及时进行，从而使HC的排放量增加。（5）白烟与蓝烟在柴油机冷起动后怠速或低负荷下暖机的过程中，特别在寒冷天气时，会产生白烟或蓝烟。原因是起动时，燃烧室内工质的温度低，空气涡流弱，燃油不能完全蒸发燃烧，未燃烧或部分氧化的燃料一般以液态微粒的形式随废气排出后，冷凝形成白烟或蓝烟（先白烟，后蓝烟，最后是无色烟）。白烟的微粒直径（1m）较蓝烟的直径（0.4m）大，对光线的反射不同，从而产生不同的颜色。提高燃烧室内工质的温度是解决冷起动冒白烟的根本途径，如提高压缩比（例子：由17提高到17.5，但导致NOX排放量超标）。检查供油提前角不能过大，燃油喷射到较冷的气缸内不能很好雾化，堆积在燃烧室壁面上，部分燃油以液态微粒的形式随废气排出（例子：不带供油提前角度自动提前器的工程机械柴油机，其供油提前角按标定工况调整，但对最低速的怠速工况来说，供油提前角度显得过大，导致怠速时冒白烟，发动机转速升高后，白烟逐渐消失）。检查有无冷却水从气缸垫片处泄漏进气缸内，水蒸气产生白烟。机油窜入燃烧室内燃烧时也冒蓝烟。第五节有害排放物的控制降低排放的措施：以降低排放为目标，通过改进发动机内燃烧过程为主的机内处理方法。对燃烧排出的有害物在排气系统处进行后处理。对曲轴箱窜气或燃油箱、浮子室内的汽油蒸气部分进行再吸入气缸内燃烧的处理。上述后两项处理方法称为机外处理。是本节讲述内容。一、排气的后处理1、减少HC和CO的二次空气喷射法在发动机燃烧室内没有完全燃烧的燃料，在排气道内与喷射的新鲜空气再燃烧一次，因此，需要辅助空气喷射泵和维持排气歧管高温。2、减少HC和CO热反应器相当于大的排气管，其作用是使气体保持高温（HC和CO在热反应器中氧化所需温度在600-700C以上）和达到HC和CO氧化所需的足够的反应时间。在浓混合气中需向排气口喷入二次空气，因此，通常与二次空气喷射一起使用。热反应器内部温度达800~1200C，要求耐高温、耐腐蚀的材料。3、催化反应器催化反应器是采用面容比很大的载体表面上的催化剂作为触媒介质，象滤清器那样通过排气，将有害成分CO、HC和NOx进行化学反应转化为无害的CO2、H2O和N2的一种反应器。分成整体陶瓷蜂窝结构和颗粒式结构两类。（1）减少HC和CO排放的氧化催化转换器利用残余废气中的氧和另外供给的二次空气中的氧使HC和CO完全氧化。采用氧化催化剂（铂Pt和钯Pd的混合物）使HC和CO氧化可在排气温度低达250C的条件下进行，其工作温度范围和使HC和CO氧化的转换效率要比热反应器好的多。HC和CO的转换效率随工作温度变化